Спонтанное деление ядер

Делением атомных ядер называют их распад на два осколка сравнимой массы. Деление может быть самопроизвольным (спонтанным) или вынужденным (вызванным взаимодействием с налетающей частицей).

В 1940 г. советскими учеными К.А. Петржаком и Г.Н. Флеровым было открыто спонтанное деление. При этом процессе ядра радионуклида самопроизвольно распадаются на осколки деления. Возможность этого процесса обусловлена тем, что удельная энергия связи E _св/ A, начиная с середины периодической таблицы, уменьшается с ростом массового числа A из-за кулоновского члена уравнения Вейцзеккера . В результате тяжелому ядру оказывается энергетически выгодно распадаться на более легкие фрагменты.

Рис. 3.14. Механизм деления ядра

Однако выигрыш в удельной энергии связи только необходимое, но не достаточное условие деления. Рассмотрим упрощенно механизм деления. В процессе деления форма ядра изменяется, последовательно проходя несколько стадий (рис. 3.14): шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка. Изменение энергии ядра при этом определяется не только изменением кулоновской энергии отталкивания, но и действующей в обратном направлении поверхностной энергии. Так, при изменении формы ядра из сферической в эллипсоидальную объем его не меняется, а поверхность увеличивается, поверхностная энергия возрастет по абсолютной величине, и поверхностные силы будут стремиться вернуть ядро в исходное сферическое состояние.

С другой стороны, кулоновская энергия ядра, наоборот, уменьшится по абсолютной величине из-за увеличения среднего расстояния между протонами, и кулоновские силы отталкивания будут стремиться увеличить деформацию ядра. При малых деформациях преобладают силы поверхностного натяжения, а при больших – силы кулоновского отталкивания. Таким образом, возникает типичный потенциальный барьер, препятствующий мгновенному делению тяжелых ядер. И для того чтобы ядро разделилось, ему необходимо передать энергию возбуждения, равную или большую высоты потенциального барьера (рис. 3.15). Необходимая энергия возбуждения уменьшается при переходе к более тяжелым ядрам.

Рис. 3.15. Потенциальная энергия V(r) деления ядра ²³⁵U

Вероятность же спонтанного деления определяется величиной , и при < 49 может происходить самопроизвольное деление за счет эффекта просачивания через барьер подобно α -распаду. За счет туннельного эффекта спонтанное деление, как и α -распад, осуществляется крайне медленно. Более того, как правило, периоды полураспада по каналу спонтанного деления намного превышают периоды полураспада по каналу a-распада. Например, в случае ²³⁸U период полураспада по каналу спонтанного деления составляет 5, 9× 10¹⁵ лет, а по a-каналу 4, 5× 10⁹ лет. В случае очень тяжелых ядер периоды их полураспада по каналу спонтанного деления намного превышают периоды полураспада с испусканием a‑ частиц.

В табл. 3.1 представлены основные характеристики трансурановых нуклидов, наиболее подходящих для создания образцовых мер активности спонтанно делящихся нуклидов.

Таблица 3.1